Устройство выборки-хранения Советский патент 1992 года по МПК G11C27/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для формирования выборочных значений входного колебания и их запоминания при аналого-цифровом преобразований.

Известны интегрирующие устройства выборки и хранения (аналоговые запоминающие устройства), содержащие интегратор, ключи, коммутаторы, инверторы, блок управления. В данных устройствах выборки и хранения производятся интегрирование входного колебания на интервале стробирр- вания, хранение результата интегрирования в промежутках между стробирующими импульсами и сброс результата интегрирования перед очередной выборкой.

Недостатком этих устройств является то, что из-за относительно низкого быстродействия стробирующего ключа в них велика апертурная неопределенность моментов начала и окончания интервала стробирова- ния, которая приводит к росту нелинейных искажений и уровня шумов в устройстве выборки и хранения и, следовательно, ограничивает динамический диапазон устройства

ч

ON

(Я Ч

при дискретизации высокочастотных колебаний.

Известны следящие устройства выборки и хранения, содержащие источники тока, диодный мостовой ключ, накопительный элемент на конденсаторе, блок управления. В данных устройствах на интервале стробиро- вания происходит заряд конденсатора в цепи с малой постоянной времени до напряжения входного колебания и хранение этого напряжения до следующего стро- бирующего импульса.

Наиболее близким по структуре является устройство выборки и хранения, содержащее диодный мостовой ключ, накопительный элемент на конденсаторе, повторитель напряжения, два ключа, четыре источника тока, блок управления и два источника опорного напряжения.

Недостатком данного устройства выборки и хранения, как и у других известных следящих устройств выборки и хранения, является малый динамический диапазон.

Нижняя граница динамического диапазона определяется собственными шумами устройства, а верхняя - нелинейными искажениями колебания в нем. Малая величина динамического диапазона известных устройств обусловлена следующими причинами. Во-первых, сопротивление диодного мостового ключа зависит от тока, протекающего через него, т.е. от тока заряда накопительного элемента на конденсаторе. Следовательно, коэффициент передачи RC-цепи, образованный сопротивлением ключа и емкостью накопительного элемента, также зависит от тока заряда, что приводит к нелинейным искажениям отсчетов входного колебания. Во-вторых, реальный момент размыкания ключа определяется не только моментом поступления стробирую- щего импульса, но и уровнем входного колебания. В результате возникает апертурная неопределенность, которая приводит к нелинейным искажениям. В-третьих, при дискретизации высокочастотных колебаний требуется большой ток заряда накопительного элемента, что повышает уровень нелинейных искажений, обусловленных нелинейностями диодного мостового ключа и входного усилителя, включенного перед ключом. В-четвертых, из-за широкой полосы пропускания данных устройств внешние помехи и широкополосные шумы, действующие на его входе, вызывают дополнительную аддитивную погрешность формирования отсчета. .

Цель изобретения - расширение динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее буферный усилитель, с первого по четвертый источники тока, первый ключевой элемент на диодах и второй ключевой элемент, накопительный элемент на конденсаторе, первый вывод которого подключен к объединенным информационному выходу первого ключевого элемента, инфор0 мационному входу второго ключевого элемента и входу буферного усилителя, выход которого является информационным выходом устройства, первый и второй входы управления первого ключевого элемента

5 подключены соответственно к выходам первого и второго источников тока, управляющие входы которых объединены с соответствующими выходами третьего и четвертого источников тока и подключены

0 соответственно к первой и второй шинам питания устройства, управляющие входы третьего и четвертого источников тока объединены, информационный вход четвертого источника тока является входом

5 стробирования устройства, управляющий вход второго ключевого элемента является входом сброса устройства, анод первого и катод второго диодов первого ключевого элемента объединены и являются информа0 ционным входом первого ключевого элемента, катод первого и анод второго диодов первого ключевого элемента подключены соответственно к его первому и второму управляющим входам, введены первый и вто5 рой преобразователи напряжения в ток, первые входы питания которых подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства, а их вторые входы питания подключены соответственно к

0 третьей и четвертой шинам питания устройства. Информационные входы обоих преобразователей напряжения в ток объединены и являются информационным входом устройства, выходы первого и второго преобра5 зователей напряжения в ток подключены соответственно к первому и второму управляющим входам первого ключевого элемента, информационный вход которого подключен к шине нулевого потенциала ус0 тройства. Второй вывод конденсатора нако- пительного элемента объединен с информационным выходом второго ключевого элемента и подключен к информационному выходу устройства. Катод первого и

5 анод третьего диодов первого ключевого элемента объединены, анод второго и катод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены, катод третьего и анод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены и подключены к информационному выходу первого ключевого элемента.

При этом первый и второй преобразователи напряжения в ток идентичны по структуре, но отличаются полярностью питающих напряжений и проводимостью соответствующих транзисторов, и каждый преобразователь напряжения в ток содержит дифференциальный усилитель, токозадаю- щий элемент на резисторе и два идентичных источника тока, причем инвертирующий вход дифференциального усилителя является информационным входом преобразователя напряжения в ток, а неинвертирующий соединен с выходом первого управляемого источника тока и первым выводом резистора токозадающего элемента, второй вывод которого подключен к соответствующей (третьей и четвертой) шинам питания устройства, выход дифференциального усилителя подключен к информационным входам первого и второго управляемых источников тока,выход второго управляемого источника тока является соответствующим выходом преобразователя напряжения в ток.

На чертеже изображена функциональная схема устройства выборки и хранения.

Устройство выборки и хранения содержит два преобразователя 1 и 2 напряжения в ток, первый ключевой элемент 3 на диодах 4-7, четыре источника 8-11 тока, буферный усилитель 12, накопительный элемент 13 на конденсаторе, второй ключевой элемент 14. При этом преобразователи 1 и 2 напряжения в ток идентичны по структуре, но отличаются полярностью питающих напряжений и проводимостью соответствующих транзисторов, и каждый преобт разователь напряжения в ток содержит дифференциальный усилитель 15, два иден- .тичных источника 16 и 17 тока, токозадаю- щий резистор 18.

Устройство выборки и хранения работает следующим образом.

Дискретизируемое колебание U(t) пси- ступает одновременно на входы преобразователей 1 и 2 напряжения в ток. Входом преобразователя 1 напряжения в ток является инвертирующий вход дифференциального усилителя 15, на неинвертирующий вход которого подается напряжение Uoc(t) отрицательной обратной связи, образующееся на первом выводе токозадающего резистора 18. Цепь отрицательной обратной связи замкнута через управляемый источник 16тока, который преобразует выходное напряжение дифференциального усилителя 15 в ток h(t). Этот ток протекает через токо- задающий резистор 18. За счет большой величины общего коэффициента усиления

по напряжению и току дифференциального усилителя 15 и управляемого источника 16 тока, который нагружен на токозадающий резистор 18, и действию отрицательной об- 5 ратной связи напряжение U0c(t) практически совпадает с U(t), а ток, втекающий в неинвертирующий вход дифференциального усилителя 15, пренебрежимо мал по сравнению с током h(t). Поэтому h(t)Uoc(t)+

0f U(t)+ lo-ь U(t)/R, где Un2- напряжение питания, к которому подключен второй вывод токозадающего резистора 18 с сопротивлением R; l0 Un2/R - выходной ток преобразователя 1 напряжения в ток

5 при нулевом напряжении на его входе.

Поскольку второй управляемый источник 17 тока полностью идентичен первому управляемому источнику 16 тока, и их входы объединены, выходные токи обоих источни0 ков совпадают и равны li(t).

Таким образом, с выхода второго управляемого источника 17 тока, являющегося одновременно выходом лервого преобразователя 1 напряжения в ток, на

5 стробирующйй ключ поступает ток li(t)i0+U (t) / R.

Второй преобразователь 2 напряжения в ток отличается от первого преобразователя 1 только противоположными проводимо0 стями соответствующих транзисторов и полярностями питающих напряжений, Поэтому его выходной ток i2(t)-io+U (t)/R.

Питание устройства от двух биполярных источников напряженийШпТ ntUn2 по5 зволяет путем подбора напряжения питания 1)п2 в широких пределах изменять сопротивление R токозадающего резистора 18, обеспечивая при этом необходимый коэффициент 1/R преобразования преобразо0 вателей 1 и 2 напряжения в ток при выбранном токе i0 Un2/R. Значение 1о должно выбираться большим, чем абсолютное значение (U(t)/R|переменной составляющей токов ii(t) и i2(t). Это необходимо для пред5 отвращения полного запирания преобразователей 1 и 2 напряжения в ток.

Токи ii(t) и i2(t) подаются на первый ключевой элемент 3 на диодах. В режиме выборки (на интервале стробирования) ключевой

0 элемент 3 замкнут. Замыкание ключевого элемента 3 происходит при подаче на вход Строб устройства логической единицы ТТЛ-уровня, в результате чего источники 10 и 11 тока находятся во включенном состоя5 нии (образующие их транзисторы открыты), а источники 8 и 9 тока - в выключенном состоянии (транзисторы, выполняющие их функцию, закрыты). Это приводит к открытию третьего 6 и четвертого 7 диодов ключевого з-лемента 3, через которые протекают

выходные токи h(t) и l2(t) преобразователей 1 и 2 напряжения в ток. В точке соединения катода диода 6, анода диода 7, первой обкладки накопительного элемента 13 и входа буферного усилителя 12 с очень высоким входным сопротивлением токи li(t) и la(t) суммируются, поэтому ток заряда накопительного элемента 13 равен

l3(t)ii(t)+l2(t)2U(t)/R.

Первый 4 и второй 5 диоды в режиме выборки закрыты и на ток заряда накопительного элемента 13 не влияют.

К моменту t2 окончания интервала стро- бирования напряжение на накопительном элементе 13 составляет .,.itif

UC--C-/J i3(t)(t)dt, t,. -t,

где С - емкость накопительного элемента

13;

ti - момент начала интервала стробиро- вания,

При ограниченной скорости изменения U(t) напряжение Uc пропорционально мгновенному значению U(t) в середине интервала стробирования, т.е. является отсчетом напряжения в этот момент.

Буферный усилитель 12 имеет большой по модулю отрицательный коэффициент передачи, поэтому как в режиме выборки, так и в режиме хранения напряжение на входе буферного усилителя 12 поддерживается близким к нулю. В результате выходное напряжение устройства выборки и хранения практически совпадает с равным отсчету входного колебания напряжением Uc на накопительном элементе 13.

При переходе в режим хранения на вход Строб устройства подается ТТЛ-уровень логического нуля. Источники 10 и 11 тока выключаются (закрываются транзисторы, выполняющие функцию источников 10 и 11 тока), а источники 8 и 9 тока включаются (образующие их транзисторы открываются). Выходные токи источников 8 и 9 тока противоположны по знаку выходным токам преобразователей 1 и 2 напряжения в ток соответственно и больше их максимально возможных значений. Поэтому выходной ток источника 8 тока полностью компенсирует выходной ток преобразователя 1 напряжения в ток, а выходной ток источника 9 тока - выходной ток преобразователя 2 напряжения в ток. В результате диоды б и 7 ключевого элемента 3 закрываются, а диоды 4 и 5 открываются и пропускают на общую шину Земля избыточные токи, равные разности выходных токов источников 8 и 9 тока

и преобразователей 1 и 2 напряжения в ток соответственно.

Таким образом, путем закрытия диодов 6 и 7 ключевого элемента 3 полностью размыкается цепь заряда накопительного элемента 13, Буферный усилитель 12 имеет большое входное сопротивление, которое препятствует разряду накопительного элемента 13 через входную цепь буферного

0 усилителя 12. Поэтому в течение всего интервала хранения отсчета напряжение на выходе устройства выборки и хранения равно отсчету входного колебания U(t).

Перед очередной выборкой на второй

5 ключевой элемент 14 подается импульс Сброс. Ключевой элемент 14 замыкается, и через него осуществляется разряд накопительного элемента 13, напряжение на котором к концу импульса Сброс становится

0 равным нулю.

Сброс значения предыдущего отсчета перед каждой новой выборкой необходим для обеспечения устойчивости устройства выборки и хранения.

5 Предлагаемое устройство имеет больший динамический диапазон, чем известные устройства, при дискретизации высокочастотных колебаний благодаря следующим факторам.

0 Во-первых, в известном устройстве, как и во всех следящих УВХ, величина тока заряда накопительного элемента больше, чем в предлагаемом устройстве. Следовательно, в известном устройстве выше уровень нели5 нейных искажений, который определяется нелинейностью ключевого элемента и усилителя, включаемого на входе устройства выборки и хранения.

Во-вторых, за счет большого выходного

0 сопротивления преобразователей 1 и 2 напряжения в ток, которое многократно превышает сопротивление открытых диодов первого ключевого элемента 3, ток заряда накопительного элемента 13 не зависит от

5 сопротивления ключевого элемента 3 и, следовательно, его нелинейности в режиме выборки.

В-третьих, в данном устройстве перепад управляющего напряжения на первом

0 ключевом элементе при переходе из режима хранения в режим выборки и обратно равен 0,6 - 0,8 В - удвоенному падению напряжений на открытом диоде, в то время как в известном устройстве перепад управ5 ляющего напряжения на диодном мостовом ключе должен быть больше максимальной амплитуды входного колебания. Следовательно, в данном устройстве для перезаряда выходных емкостей источников тока и паразитных емкостей диодов первого ключевого элемента потребуется меньше времени, чем в известном устройстве. Уменьшение времени переключения позволяет снизить апертурную неопределенное , за счет чего уменьшаются уровни шума и нели- нейных искажений, возникающих за счет апертурной неопределенности. В результате расширяется динамический диапазон предлагаемого устройства при дискретизации высокочастотных колебаний.

В-четвертых, устройство имеет амплитудно-частотную характеристику вида синус-импульса, что обеспечивает подавление спектральных составляющих широкополосных шумов и помех, действующих на входе устройства, частоты которых превышают верхнюю частоту спектра полезного колебания. Применение в устройстве ключевого элемента на диоде, в котором можно использовать диоды Шоттки, не накапливаю- щие заряд и имеющие малое время переключения, позволяет существенно повысить быстродействие ключевого элемента по сравнению с ключами известных интегрирующих устройств выборки и хране- ния, и, следовательно, расширить динамический диапазон устройства. ,

За счет, всех перечисленных факторов динамический диапазон устройства выборки и хранения при дискретизации колеба ний с частотами до 10 МГц, как показали экспериментальные исследования, в среднем на 15-20 дБ выше динамического диапазона известных устройств.

Формула изобретен и я

1. Устройство выборки-хранения, содержащее буферный усилитель, первый, второй, третий и четвертый источники тока, первый ключевой элемент на диодах и втск рой ключевой элемент, накопительный эле- мент на конденсаторе, первый вывод которого подключен к объединенным информационному выходу первого ключевого элемента, информационному входу второго ключевого элемента и входу буферного уси- лителя, выход которого является информационным выходом устройства, первый и второй входы управления первого ключевого элемента подключены соответственно к выходам первого и второго источников тока, управляющие входы которых объединены с соответствующими выходами третьего и четвертого источников тока и подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства, управляющие входы третьего и четвертого источников тока объединены, информационный вход четвертого источника тока является входом стробиро- вания устройства, управляющий вход второго ключевого элемента является входом

сброса устройства, анод первого и катод второго диодов первого ключевого элемента объединены и являются информационным входом первого ключевого элемента, катод первого и анод второго диодов первого ключевого элемента подключены соответственно к его первому и второму управляющим входам, отличающееся тем, что, с. целью расширения динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний, в него введены первый и второй преобразователи напряжения в ток, первые входы питания которых подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства, а их вторые входы питания подключены соответственно к третьей и четвертой шинам питания устройства, информационные входы обоих преобразователей напряжения в ток объединены и являются информационнымвходом устройства, выходы первого и второго преобразователей напряжения в ток подключены соответственно к первому и второму управляющим входам первого ключевого элемента, информационный вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с информационным выходом второго ключевого элемента и подключен к информационному выходу устройства, катод первого и анод третьего .диодов первого ключевого элемента объединены, анод второго и катод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены,катод третьего и анод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены и подключены к информационному выходу первого ключевого элемента.

2. Устройство по п,1,отличающееся тем, что первый и второй преобразователи напряжения в ток идентичны по структуре, но отличаются полярностью питающих напряжений и проводимостью соответствующих транзисторов и каждый преобразователь напряжения в ток содержит дифференциальный усилитель, токозадающий элемент на резисторе и два идентичных управляемых источника тока, причем инвертирующий вход дифференциального усилителя является информационным входом преобразователя напряжения в ток, а неинвертирующий соединен с выходом первого управляемого источника тока и первым выводом резистора токазадающего элемента, второй вывод которого подключен к соответствующей третьей или четвертой шине питания устройства, выход дифференциального усилителя подключен к информационным входам

первого и второго управляемых источников тока является соответствующим выходом тока, вход второго управляемого источника преобразователя напряжения в ток.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для формирования выборочных значений входного колебания и их запоминания при аналого-цифровом преобразовании. Цель изобретения - расшире ние динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний. Устройство содержит два преобразователя напряжения в ток, первый ключевой элемент на диодах, накопительный элемент на конденсаторе, четыре источника тока, буферный усилитель, второй ключевой элемент. Переменная составляющая выходного тока преобразователей напряжения в ток пропорциональна входному напряжению устройства. В режиме выборки первый и второй источники тока отключены и первый ключевой элемент соединяет выходы преобразователей напряжения в ток с накопительным элементом, который заряжается разностью выходных токов данных преобразователей. Получаемый отсчет напряжения на накопительном элементе пропорционален интегралу от входного напряжения на интервале выборки. В режиме хранения первый и второй источники тока включены, их выходные токи компенсируют выходные токи преобразователей напряжения в ток, и первый ключевой элемент размыкает цепь заряда накопительного элемента .Перед очередной выборкой производится разряд накопительного элемента на конденсаторе с помощью второго ключевого элемента. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. чл с

Сирое

Них.